2.3 掺铒光纤放大器EDFA、光纤拉曼放大器RFA在线视频

同学们好

我们接着来学习

光电子技术器件及电力应用

好

上一节我们学到了第二章

光电子有源与无源光器件

其中讲到了第二节

光放大器

由于光放大器部分内容比较多

我们分为三块

上一节只讲了半导体光放大器

SOA

这一节我们来看一下

掺铒光纤放大器EDFA

和光纤拉曼放大器RFA

下面两个图

分别是EDFA

就是掺铒光纤放大器的产品图

右边这个图

是拉曼光纤放大器的产品图

我们这一节的目的

就是让大家搞清楚

这两种放大器工作的机理

以及它的结构应用等问题

我们先来看掺铒光纤放大器

EDFA

掺铒光纤放大器

是目前应用最为广泛的一种

光纤放大器

它其中的铒离子

充当增益介质

这个图给出了

掺铒光纤放大器的工作的原理图

左边的图

是它的能级图

右边的图

是它的吸收增益谱

我们先来看它的这个能级图

其中的980纳米

将铒离子从低能态

4I15/2

激发到4I11/2

这个高能态

另外一个波长1.48微米

将它从4I15/2

激发到4I13/2这个高能态

然后粒子从高能态跃迁到亚稳态

也就是4I13/2的下能级部分

就可以对1.53微米左右的信号光

进行放大

这就是它的工作的一个机理

这个图是它的吸收增益谱

首先它吸收泵浦光

让粒子数产生反转

然后呢

它就可以对1550纳米附近的

信号进行放大

大家可以看它的增益的带宽

大概有30纳米左右

这是它的工作的机理

那我们看一下掺铒光纤放大器的结构

掺铒光纤放大器的结构如这个图所示

包括隔离器

有两个两端大家看隔离器的

是单方向的

这个

我们在后边会讲它的工作的机理

实际上它只是让光单方向通过

还有泵浦激光

这里有一个

这边也有一个

这两个实际上实现

提供泵浦能量

然后这里有两个泵浦合波器

实际上是把泵浦光和信号光

注入到掺铒光纤里边

这就是掺铒光纤

这段的掺铒光纤

实际上就是用来做它的

增益的介质

它刚才的能级图我们已经看到了

是将泵浦能量转给信号光

从而在这个铒纤里边实现信号的放大

这就是它的一个基本的结构图

好了

掺铒光纤放大器

刚才大家已经看到了它有几个部分

其中的掺铒光纤我们把它简称为EDF

它是放大器的增益介质

核心实际上是在光纤里面

掺入了铒这种离子

利用它的能级

来作为增益的能级

然后泵源向掺铒光纤来提供能量

从而对信号光来进行放大

隔离器

大家刚才已经看到了是单方向通过

目的是什么呢

用来防止放大器的自激振荡

还有合波器

用于将泵浦光耦合进掺铒光纤里边

这是它各个部件的作用

我们来看一下它的泵浦方式

刚才大家那个图里面已经看到了

我们在两端都有泵源

实际上

泵浦的方式可以有几种

第一种叫同向泵浦

也就是说它的泵浦和信号光从同端注入

从同端注入这叫同向泵浦

另外一种叫反向泵浦是泵浦和信号

从两端注入

还有双向泵浦

实际上就是那个图里面

全部的意思

让处于铒纤两端的两个泵源

同时泵浦

还有其它的泵浦方式

将铒纤分为两段

前段

用低噪声的980纳米的激光进行泵浦

后端

用高效率的1480纳米的激光进行泵浦

刚才那个图里面

我们已经看到了有两个泵浦波长

其中的980因为它中间

介入了一个亚稳态能级

所以它的噪声性能相对比较好

而1480

主要的牵扯到两个能级

所以它的噪声相对比较大

但是它是直接来

可以对1550的信号进行放大的

所以它的效率比较高

所以这种其它的泵浦方式实际上

利用了两个泵浦波长的优点

把它进行了一个组合

这是它的泵浦的方式

我们来看一下泵浦方式的比较

前向反向泵浦

当信号光的功率

比较小的时候

实际上

放大器处于非饱和区

所以这两种方式的性能

基本上是相同的

区别不是特别大

但是当信号光功率较大的时候

就会使EDFA处于饱和区

这个时候由于自发辐射噪声的影响

反向泵浦的能量的转化效率

会比较高

那为什么是这样呢

因为反向泵浦的时候

我们可以在信号光功率已经降得

比较小的时候

迅速的给它提供

泵浦的能量

将它拉伸

所以它的噪声性能会比较好

这是前反向的比较

我们再看一下双向

双向同前向反向的一个比较是

它需要两个泵源

实际上这就是它的缺点

但是也是它的优势所在

由于有两个泵源

使得泵浦光在泵浦的

这个铒纤里面几乎是均匀分布的

从而可以使

EDFA的增益在整个铒纤长度上

接近于常数值

所以它的增益性能非常好

好

我们来看一下

掺铒光纤放大器的工作的性能

掺铒光纤放大器的增益

与铒纤的长度

和泵浦功率等参数有关

这个图给出了信号的增益

随泵浦功率和铒纤长度的这样一个变化

我们先看

左边这个图

它的横轴是泵浦的功率

一般铒纤的泵浦功率

大概也就是毫瓦量级

十个毫瓦左右

然后纵轴是它的增益

dB

我们首先来看一条曲线

比如说这一条

10

长度为10的铒纤的这个增益的曲线

大家可以看到

刚开始的时候随着泵浦功率

它的增益有一个增大

但是当增大到一定程度的时候

它实际上增益就不再变了

其它的曲线也是一样的

也是一样的

但是不同的长度它的

最终的增益的值

不太一样

比如说这里的二十米的这个铒纤

相对来说最终的增益会比较大

但是不管哪一个

它最终都会达到一个

平台

就是说

这种现象我们把它叫做增益饱和现象

那为什么会出现这种现象

实际上主要的原因是

因为我们通过泵浦功率

让粒子从低能级向高能态跃迁

当你的泵浦功率增大到一定程度的时候

实际上粒子已经几乎

从低能态跃迁到了高能态

所以你再增加泵浦功率

实际上已经起不到多大作用了

所以最终会达到一个平台

叫增益饱和

我们再看右边这个图

它的横轴是放大器的长度

纵轴也是增益

但是这里给的是

在不同的泵浦功率下

随着长度的变化

大家可以看到

对于每一条曲线大家可以看到

一个什么特点呢

有一个峰值

这种现象

实际上表明了

我们在做这种掺铒光纤放大器的时候

不是你这个掺铒光纤的长度越长越好

它有一个优化值

那为什么又会出现这种现象

主要的原因是

这里面既有增益同时又有损耗

所以增益和损耗两者因素

共同作用的结果

使得有一个优化的铒纤长度

这就是它的工作的一个性能的一个解释

我们再看一下放大器的噪声

刚才主要讲的是它的增益

但是放大器在放大信号的时候

实际上会产生自发辐射的噪声

下面这个图就给出了它的噪声

以及对应的增益随长度的变化

我们先看左图

放大器长度是横轴

噪声系数是纵轴

大家可以看到

这里是给出的是不同的泵浦功率的

它的噪声指数的变化

大家可以看到

随着这个泵浦功率的不同它的噪声也不同

其中这里这个图里边的10

泵浦功率是10毫瓦的时候

它的噪声最低

接近于三个dB

这实际上这个噪声实际上是放大器

能达到的最大的理想噪声

理想噪声

那为什么10的噪声比较低

实际上我们可以看对应的这个

增益图就是右边这个图

大家可以看到

因为10这个增益

相对来说比其它的要大

因为增益越大的时候

实际上它对信号的放大功能

体现的越明显

所以它的噪声就被抑制掉了

所以这里的这个地方的噪声就比较低

好

我们讲完了掺铒光纤放大器

我们来看另外一种光纤放大器

拉曼光纤放大器RFA

RFA是利用的是强激光

通过光纤时的受激拉曼散射

我们把它叫做SRS效应

放大信号的一种分布式的光放大器

这里要特别强调分布式

就像你一个车在路上走一样

我是沿着路线在一直在给你加油

不像刚才的掺铒光纤放大器

它的长度一般也就十来米左右

所以我们把它叫做集总式

这是掺铒光纤放大器的这个结构图

这个图其它的部分大家可以看到和

刚才的EDFA实际上区别不大

最核心的区别在这里

它利用的光纤

就是我们普通的传输光纤

而不像刚才那个图里边

利用了在光纤里面掺了铒的掺铒光纤

它就是普通光纤

这也是

拉曼放大器的一个普适性的结构

为什么是普适性

大家同样可以看到它两端加了泵源

但是实际的做的时候也可以和EDFA一样

不需要两端都加

根据需求来做

这个图给出了

三种光纤

主要的是

标准单模光纤

色散位移光纤

色散补偿光纤的拉曼增益谱

泵浦的波长是1510纳米

大家可以看到

其中DCF的这个增益值

增益系数最大

标准单模光纤的最小

DSF介于中间

为什么会这样

实际上主要的原因是DCF的芯径

比较小

这里的增益系数

由gR除以Aeff

Aeff就是我们刚才说的芯径的面积

gR是它的

受激拉曼散射的增益系数

所以这两个一除就是这里的增益系数

DCF为什么高就是因为它的Aeff

比较小

所以导致它的增益比较高

所以有的时候为了提供大的增益

就会利用这种芯径比较小的光纤

然后我们

这三个谱我们把它归一化一下

什么叫归一化

就是把它最大的增益都当作1

大家可以看到这三个的形状

基本上是类似的

就是它的形状

不会随着光纤的不同而不同

但是它的这个绝对值有变化

但是它的形状基本上是类似的

这个图里边的峰值大概在13.2THz

什么意思

就是说它的泵浦波长

和放大的信号之间可以差13.2THz

相当于在1550纳米附近大概一百纳米

所以实际上你看到

我们做拉曼放大器的时候

泵源一般是1450左右

信号光在1550左右

这是它的特点

它的特点两个相差大概一百纳米

当然你可以用比如说1310

那你再加一百就是1410信号

两个大概差一百纳米

这是它的特点

它的带宽大家可以看到非常宽

有30THz

如果画全了后面当然比较小了

大概有40THz的样子

所以它是一个宽带的放大

宽带的放大

拉曼放大器

是大容量

长距离光纤传输系统的一种重要的器件

它有如下的这些特点

第一个它的增益谱比较灵活

为什么说灵活

主要的原因大家刚才已经看到了

就是它是由

泵浦和信号的相对值

来决定它的位置的

所以它可以实现任意的谱区

就是在任何波长我都可以放大

不像刚才的EDFA只能在1550左右放大

它的泵浦波长只能是980

或者1480

这个

都可以随便取

只要你两个相差是在13.2THz就可以

而且是任意带宽的放大

为什么任意带宽

大家刚才看到了它的带宽比较大

如果我把几个

泵浦光叠加起来

实际上我就可以做到一个非常大的带宽

而EDFA的带宽一般也就30纳米左右

常规的也就这么多

它的信噪比比较高

因为刚才我们说了

拉曼放大的特点是一种分布式的放大

就是我刚才举的一个例子

像车走一样边走边加油

所以它的信噪比会比较高

而不像EDFA

由于是集总式的放大

它的信噪比

只有在信号衰减的比较低的时候

才提供了放大

所以呢

它的信噪比就没有它好

然后低的非线性

因为它的信噪比比较高

所以我这个系统

可以工作在相对比较低的功率水平上

由此导致它的非线性的影响

会比较小

所以拉曼系统的

优化功率一般比EDFA要低一些

作为

拉曼放大器实现宽带放大的这样一个例子

我们这个图给出了由12个不同频率

和功率的拉曼激光器

优化组合实现的80纳米

增益10.5个dB的增益曲线

大家可以看到80纳米的带宽

刚才说了EDFA最多也就30多个纳米

那就已经非常高了

这个可以提供80纳米

增益10.5dB

这个参数是它的频率参数

功率参数这些数怎么来的

我们可以用一些算法来进行优化

具体到这里可以采取

遗传算法来进行优化

优化的结果让这个增益谱非常平坦

实际上这个谱是咋来的

是由好多这种小的增益谱

叠加起来的

所以你如果不优化你可能这个增益

就不会这么平

好

在实际的系统中

拉曼放大器作为EDFA的补充

可以放大EDFA不容易放大

或者一些大带宽的WDM信号

也可以与遥泵放大器

配合使用

好

我们对这一节做一个小结

这一节我们讲了光放大器里边的EDFA

就是掺铒光纤放大器

和第二个

拉曼光纤放大器

下一节我们来讲

光探测器

好

这一节的内容就到这里

同学们再见